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CN108627536B - 一种浇注式导电沥青混凝土传导热效果预估方法 - Google Patents

一种浇注式导电沥青混凝土传导热效果预估方法 Download PDF

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CN108627536B CN201810300703.4A CN201810300703A CN108627536B CN 108627536 B CN108627536 B CN 108627536B CN 201810300703 A CN201810300703 A CN 201810300703A CN 108627536 B CN108627536 B CN 108627536B
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Abstract

本发明提供了一种浇注式导电沥青混凝土传导热效果预估方法，该方法在桥面铺装结构的浇注式导电沥青混凝土铺装上面层的底面上铺设温度传感器，通过温度传感器获得浇注式导电沥青混凝土铺装上面层底面温度，然后基于浇注式导电沥青混凝土铺装上面层底面温度，采用浇注式导电沥青混凝土铺装上面层传导热效果预估方程对浇注式导电沥青混凝土铺装上面层表面温度进行预估。本发明充分借助非稳态瞬态传导热理论及室内实验，基于便于测量的浇注式导电沥青混凝土铺装上面层底面温度、初始环境温度、上面层导温系数及材料参数等数据进行传导热效果预估，为用于钢桥面融雪化冰的浇注式导电沥青铺装层结构上面层传导热效果预估提供了新思路。

Description

一种浇注式导电沥青混凝土传导热效果预估方法
技术领域
本发明属于工程材料领域，涉及导电沥青混凝土，具体涉及一种浇注式导电沥青混凝土传导热效果预估方法。
背景技术
近年来，浇注式沥青混凝土因具有良好抗渗性、抗老化性及变形追从性成为桥面铺装材料首选。诸多实体工程经验表明，与普通桥面铺装相比，浇注式桥面铺装性能优异，但仍不可避免桥面积雪结冰严重、交通事故频发等问题。研发适用于桥面铺装的融雪化冰技术，及时有效清除桥面冰雪对降低事故发生率、提高交通通行效率至关重要。目前桥面融雪化冰方法主要有人工法、机械法、撒布融雪剂法等，存在效率低、易损伤路面、污染环境等问题。应运而生的导电混凝土则具有可保持路面结构完整性、升温效果均匀稳定、融雪及时且无需中断交通等优势，成为桥面铺装融雪化冰技术研究热点。综合浇注式桥面铺装应用状况与导电沥青混凝土研究现状，在浇注式沥青混凝土中掺入适当类型和掺量的导电性材料制备成浇注式导电沥青混凝土，不仅能实现桥面及时、高效融雪化冰，有力保障道路畅通及行驶安全，而且可避免施工碾压中电极破坏及水电接触引起的短路等安全隐患。采用浇注式导电沥青混凝土时，通电后铺装层组合结构上面层表面可维持在0℃以上，达到融雪除冰的效果。目前采用浇注式导电沥青混凝土融雪化冰时接通电源时间过长容易引起能源浪费，接通时长过短则融雪化冰效果不佳，这就需要尽可能的实现对桥面铺装上面层表面温度的准确监测。然而，在实际工程应用中如果直接在沥青混凝土铺装层上表面布置温度传感器检测表面温度时，一方面传感器会在车辆荷载作用下较快失效，另一方面传感器的布置不当会引发路面破损，降低桥面铺装层使用寿命。而在桥面铺装施工时在组合结构层中间布置温度传感器能够有效解决上述问题。
因此，亟需一种浇注式导电沥青混凝土传导热效果预估方法，能够基于浇注式导电沥青混凝土组合结构中部监测温度对上面层表面温度进行预估，在此基础上确定导电沥青混凝土开通及切断电源的最佳时机，以保证在融雪除冰的同时降低能源消耗。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，本发明的目的在于，提供一种浇注式导电沥青混凝土传导热效果预估方法，解决现有技术中在路表布设传感器容易损坏，难以持久精准监测浇筑式导电沥青混凝土路面的表面温度的技术问题。
为了解决上述技术问题，本申请采用如下技术方案予以实现：
一种浇注式导电沥青混凝土传导热效果预估方法，该方法在桥面铺装结构的浇注式导电沥青混凝土铺装上面层的底面上铺设温度传感器，通过温度传感器获得浇注式导电沥青混凝土铺装上面层底面温度，然后基于浇注式导电沥青混凝土铺装上面层底面温度，采用浇注式导电沥青混凝土铺装上面层传导热效果预估方程对浇注式导电沥青混凝土铺装上面层表面温度进行预估，实现浇注式导电沥青混凝土传导热效果预估；
所述的浇注式导电沥青混凝土铺装上面层传导热效果预估方程为：
Figure GDA0001681798330000021
Figure GDA0001681798330000031
式中：
T′(σ,t)为t时刻浇注式导电沥青混凝土铺装上面层表面温度，℃；
T′0为初始环境温度，℃；
T′(0,t)为t时刻浇注式导电沥青混凝土铺装上面层底面温度，℃；
α为浇注式导电沥青混凝土铺装上面层在非稳态导热过程中的导温系数，m2/h；
ρ为浇注式导电沥青混凝土铺装上面层的密度，kg/m3；
Cp为浇注式导电沥青混凝土铺装上面层比热容，kJ/kg·℃；
Figure GDA0001681798330000032
为t1时刻浇注式导电沥青混凝土铺装上面层表面温度，℃；
Figure GDA0001681798330000033
为t2时刻浇注式导电沥青混凝土铺装上面层底面温度，℃；
σ为浇注式导电沥青混凝土铺装上面层板厚度，m；
λ(x)为浇注式导电沥青混凝土铺装上面层导热系数λ与浇注式导电沥青混凝土铺装上面层的温度的拟合关系式；
λ为浇注式导电沥青混凝土铺装上面层导热系数，W/m·℃；
x为浇注式导电沥青混凝土铺装上面层的温度，℃。
本发明还具有如下技术特征：
所述的浇注式导电沥青混凝土铺装上面层比热容为：
Figure GDA0001681798330000034
式中：
mi为浇注式导电沥青混凝土铺装上面层中不同材料的质量，kg；
Cpi为浇注式导电沥青混凝土铺装上面层中不同材料的比热容，kJ/kg·℃；
M为浇注式导电沥青混凝土铺装上面层总质量，kg。
所述的桥面铺装结构包括桥面板和桥面铺装层，所述的桥面铺装层从上至下依次为浇注式导电沥青混凝土铺装上面层、粘层、浇注式导电沥青混凝土层和防水黏结层。
本发明与现有技术相比，有益的技术效果是：
(Ⅰ)本发明将温度传感器内置于浇注式导电沥青混凝土铺装上面层的底面上，通过底面温度来预估表面温度，温度传感器不容易损坏，能够持久监测浇筑式导电沥青混凝土路面的表面温度。本发明采用的预估传导热效果预估方程的预估结果与实测结果基本一致，精准性高。
(Ⅱ)本发明充分借助非稳态瞬态传导热理论及室内实验，基于便于测量的浇注式导电沥青混凝土铺装上面层底面温度、初始环境温度、上面层导温系数及材料参数等数据进行传导热效果预估，为用于钢桥面融雪化冰的浇注式导电沥青铺装层结构上面层传导热效果预估提供了新思路。
(Ⅲ)本发明能够有效预估以常热流加热下铺装层结构上表面温度变化情况，有助于预估铺装组合上面层温度达到0℃以上的时间，并在此基础上确定接通或关闭电源，在达到融雪化冰效率的基础上实现能源节约。
附图说明
图1是桥面铺装结构的结构示意图。
图2是实施例1中的预测值与实测值对比结果图。
图3是实施例2中的预测值与实测值对比结果图。
图4是实施例3中的预测值与实测值对比结果图。
图中各个标号的含义为：1-桥面板，2-桥面铺装层，21-浇注式导电沥青混凝土铺装上面层，22-粘层，23-浇注式导电沥青混凝土层，24-防水黏结层，3-温度传感器，4-导电电极。
以下结合附图和实施例对本发明的具体内容作进一步详细解释说明。
具体实施方式
遵从上述技术方案，需要说明的是：桥面铺装层传导热热源为常热流q，基于稳定传热条件确定浇注式导电沥青混凝土铺装上面层在不同温度下的导热系数λ，考虑到在常热流作用下浇注式导电沥青混凝土铺装上面层温度为动态连续性变化且底面与表面温度存在一定差异，采用式Ⅱ对已确定浇注式导电沥青混凝土铺装上面层在非稳态导热过程中的导温系数进行计算。
遵从上述技术方案，需要说明的是：基于浇注式导电沥青混凝土铺装上面层在不同温度下的导温系数及半无限大物体非稳态热传导理论，获得浇注式导电沥青混凝土铺装上面层表面t时刻温度的预估方程如式Ⅲ所示。
遵从上述技术方案，需要说明的是：在下述实验过程中，桥面铺装结构的浇注式导电沥青混凝土层中安装有导电电极4，导电电极4的正负电极均采用铝电极，通电时电压为54V。导电电极4为桥面铺装结构提供导热热源常热流q。
以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。
实施例1：
本实施例给出一种浇注式导电沥青混凝土传导热效果预估方法，该方法在桥面铺装结构的浇注式导电沥青混凝土铺装上面层21的底面上铺设温度传感器3，通过温度传感器3获得浇注式导电沥青混凝土铺装上面层21底面温度，然后基于浇注式导电沥青混凝土铺装上面层21底面温度，采用浇注式导电沥青混凝土铺装上面层传导热效果预估方程对浇注式导电沥青混凝土铺装上面层21表面温度进行预估，实现浇注式导电沥青混凝土传导热效果预估。
具体的，桥面铺装结构包括桥面板1和桥面铺装层2，所述的桥面铺装层2从上至下依次为浇注式导电沥青混凝土铺装上面层21(SMA)、粘层22、浇注式导电沥青混凝土层23和防水黏结层24。
其中，浇注式导电沥青混凝土层的厚度为35cm，沥青是采用SBS沥青和特立尼达天然湖沥青(TLA)制备的复合改性沥青，复合质量比为75：25，集料为优质玄武岩，矿粉为优质石灰岩矿粉，配合比如表Ⅰ所示，碳纤维掺量为0.8％，同时在浇注式导电沥青混凝土下面层制备时中上部撒布碳纤维，撒布量为170g/m2，油石比为9.75％。
表Ⅰ浇注式导电沥青混凝土下面层合成级配组成表
Figure GDA0001681798330000061
其中，浇注式导电沥青混凝土铺装上面层为40mm SMA-13结构层，原材料所用沥青为SBS沥青，粗集料为优质玄武岩，细集料为石灰岩机制砂，矿粉为优质石灰岩矿粉，纤维为木质素纤维。其中SBS改性沥青、粗集料和矿粉与下面层所用原材料相同，级配如表Ⅱ所示。上面层混凝土的最佳沥青用量为6.2％，木质素纤维掺量为0.3％。
表Ⅱ浇注式导电沥青混凝土上面层合成级配组成表
Figure GDA0001681798330000071
遵从上述技术方案，该方法对上述桥面铺装结构的浇注式导电沥青混凝土传导热效果进行预估，具体过程为：
步骤一，计算浇注式导电沥青混凝土上面层比热容Cp：
对浇注式导电沥青混凝土铺装上面层中主要物质的比热容进行测定，其中SBS改性沥青比热容为1.763kJ/kg·℃，玄武岩石料比热容为1.360kJ/kg·℃，石灰岩机制砂比热容为0.855kJ/kg·℃，石灰岩矿粉比热容为1.316kJ/kg·℃。通过式Ⅰ计算可得钢桥面铺装上面层比热容：Cp＝1.295kJ/kg·℃。
步骤二，桥面铺装层传导热热源为常热流q，基于稳定传热条件采用导热系数测定仪测定浇注式导电沥青混凝土铺装上面层在不同温度下的导热系数λ(W/m·℃)，测试结果如表Ⅲ所示：
表Ⅲ钢桥面铺装上面层导热系数值
Figure GDA0001681798330000072
基于导热系数随上面层板温度变化的规律，同时考虑上面层混凝土温度在传导热过程中的动态连续性变化，采用式Ⅱ对已确定浇注式导电沥青混凝土上面层在非稳态导热过程中的导温系数进行计算。进而得到导温系数与上面层的t1时刻表面温度和t2时刻底面温度变化的关系式，如下式所示：
Figure GDA0001681798330000073
步骤三、预估过程采用半无限大物体非稳态瞬态导热过程的微分方程式进行浇注式导电沥青混凝土传导热效果预估，具体下公式所示。
Figure GDA0001681798330000081
初始条件为：t＝0,T(σ,0)＝0；
边界条件为：
Figure GDA0001681798330000082
式中：T(σ,t)为浇注式导电沥青混凝土铺装上面层表面处的过余温度，T(σ,t)＝T′(σ,t)-T′0。
基于初始条件和边界条件求解微分方程可得过余温度T(σ,t)与导温系数α、及上面层厚度σ的关系式如下所示。
Figure GDA0001681798330000083
式中ierfc(u)为高斯误差补函数的一次积分，可通过查询表Ⅳ内插获得。
表Ⅳ高斯误差补函数的一次积分值
Figure GDA0001681798330000084
t时刻浇注式导电沥青混凝土上面层底面过余温度T(0,t)为：
Figure GDA0001681798330000085
t时刻浇注式导电沥青混凝土上面层表面过余温度T(σ,t)为：
Figure GDA0001681798330000086
进一步得到t时刻浇注式导电沥青混凝土上面层表面的过余温度T(σ,t)与底面的过余温度T(0,t)的关系，如下式所示。
Figure GDA0001681798330000091
基于过余温度进一步得到浇注式导电沥青混凝土传导热效果预估方程，具体下式所示。
Figure GDA0001681798330000092
针对已确定面层结构组合及材料组成，得到基于钢桥面铺装的浇注式导电沥青混凝土的传导热预估方程，具体如下式所示。
Figure GDA0001681798330000093
Figure GDA0001681798330000094
采用上述传导热预估方程结合室内实验对初始环境温度为-5℃时的浇注式导电沥青混凝土传导热效果进行预估，预估时对浇注式导电沥青混凝土上面层底面温度监测，并基于此对浇注式导电沥青混凝土上面层表面温度进行预估。实测时与预估时的通电条件及外界环境保持一致，对桥面铺装层浇注式导电沥青混凝土上面层表面温度和底面温度同时进行监测，以对比评价预估效果。测试时通电电压保持在54V，测试时先接通电源监测2小时，随后关闭电源后继续监测2个小时，测试时每隔10min读一次数。
根据表Ⅴ绘制环境温度为-5℃时的浇注式导电沥青混凝土上面层表面温度预测值与实测值对比结果图，详见附图2。
根据预测值与实测值对比，在外界环境为-5℃时，通过预估方程得到的常热流加热下桥面铺装浇注式导电沥青混凝土上面层表面温度值与实测值呈线性相关关系，拟合优度高达0.84，两者呈现出强相关性，即在外界环境为-5℃时可采用该预估公式对浇注式导电沥青混凝土上面层表面温度进行预估，并可基于此确定接通或关闭电源时间，在融雪化冰的同时实现能源节约。
表Ⅴ浇注式导电沥青混凝土上面层表面温度预估与实测结果
Figure GDA0001681798330000101
实施例2：
本实施例给出一种浇注式导电沥青混凝土传导热效果预估方法，该方法与实施例1基本相同，本实施例与实施例1不同点在于调整实验温度为-10℃，采用传导热预估方程结合室内实验对初始环境温度为-10℃时浇注式导电沥青混凝土传导热效果进行预估，同时通过室内实验对相同通电条件下的浇注式导电沥青混凝土上面层表面温度及底面温度进行实测，以评价预估效果。
根据表Ⅵ绘制环境温度为-10℃时浇注式导电沥青混凝土上面层表面预测值与实测值对比结果图，详见附图3。
根据附图3中预测值与实测值的对比结果，在外界环境为-10℃时，通过预估方程得到的桥面铺装浇注式导电沥青混凝土上面层表面温度预测值与实测值呈线性相关关系，拟合优度为0.82，两者呈现出强相关性，即在外界环境为-10℃时采用该预估公式对浇注式导电沥青混凝土上面层表面温度进行预估准确度较高。
表Ⅵ浇注式导电沥青混凝土上面层表面温度预估与实测结果
Figure GDA0001681798330000111
Figure GDA0001681798330000121
实施例3：
本实施例给出一种浇注式导电沥青混凝土传导热效果预估方法，该方法与实施例1基本相同，本实施例与实施例1不同点在于调整环境温度为-15℃，采用传导热预估方程结合室内实验对初始环境温度为-15℃时的浇注式导电沥青混凝土传导热效果进行预估，同时通过室内实验对相同通电条件下的浇注式导电沥青混凝土上面层表面温度进行实测，以评价预估效果。
表Ⅶ浇注式导电沥青混凝土上面层表面温度预估与实测结果
Figure GDA0001681798330000122
Figure GDA0001681798330000131
根据表Ⅶ绘制环境温度为-15℃时浇注式导电沥青混凝土上面层表面预测值与实测值对比结果图，详见附图4。
根据预测值与实测值对比，在外界环境为-15℃时，通过预估方程得到的浇注式导电沥青混凝土上面层表面温度预测值与实测值呈线性相关关系，拟合优度为0.87，两者呈现出强相关性，即在外界环境为-15℃时采用该预估公式对浇注式导电沥青混凝土浇注式导电沥青混凝土上面层表面温度进行预估准确性较高。

Claims (2)

1.一种浇注式导电沥青混凝土传导热效果预估方法，其特征在于，该方法在桥面铺装结构的浇注式导电沥青混凝土铺装上面层(21)的底面上铺设温度传感器(3)，通过温度传感器(3)获得浇注式导电沥青混凝土铺装上面层(21)底面温度，然后基于浇注式导电沥青混凝土铺装上面层(21)底面温度，采用浇注式导电沥青混凝土铺装上面层传导热效果预估方程对浇注式导电沥青混凝土铺装上面层(21)表面温度进行预估，实现浇注式导电沥青混凝土传导热效果预估；
所述的浇注式导电沥青混凝土铺装上面层传导热效果预估方程为：
Figure FDA0002455401270000011
Figure FDA0002455401270000012
式中：
T′(σ，t)为t时刻浇注式导电沥青混凝土铺装上面层表面温度，℃；
T′0为初始环境温度，℃；
T′(0,t)为t时刻浇注式导电沥青混凝土铺装上面层底面温度，℃；
α为浇注式导电沥青混凝土铺装上面层在非稳态导热过程中的导温系数，m2/h；
ρ为浇注式导电沥青混凝土铺装上面层的密度，kg/m3；
Cp为浇注式导电沥青混凝土铺装上面层比热容，kJ/kg·℃；
Figure FDA0002455401270000013
为t1时刻浇注式导电沥青混凝土铺装上面层表面温度，℃；
Figure FDA0002455401270000014
为t2时刻浇注式导电沥青混凝土铺装上面层底面温度，℃；
σ为浇注式导电沥青混凝土铺装上面层板厚度，m；
λ(x)为浇注式导电沥青混凝土铺装上面层导热系数λ与浇注式导电沥青混凝土铺装上面层的温度的拟合关系式；
λ为浇注式导电沥青混凝土铺装上面层导热系数，W/m·℃；
x为浇注式导电沥青混凝土铺装上面层的温度，℃；
所述的浇注式导电沥青混凝土铺装上面层比热容为：
Figure FDA0002455401270000021
式中：
mi为浇注式导电沥青混凝土铺装上面层中不同材料的质量，kg；
Cpi为浇注式导电沥青混凝土铺装上面层中不同材料的比热容，kJ/kg·℃；
M为浇注式导电沥青混凝土铺装上面层总质量，kg。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的桥面铺装结构包括桥面板(1)和桥面铺装层(2)，所述的桥面铺装层(2)从上至下依次为浇注式导电沥青混凝土铺装上面层(21)、粘层(22)、浇注式导电沥青混凝土层(23)和防水黏结层(24)。
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